一种高性能相干高频雷达多频探测方法技术

本发明专利技术提供了一种高性能相干高频雷达多频探测方法，所述方法包括：步骤1)指定若干个频率的频率值及每个频率的观测波束，根据观测波束指向确定各频率的相移增量，由此设计雷达发射机每个通道的发射信号；设计定标信号，以第一通道为基准获得发射通道间不一致性误差和接收通道间不一致性误差：幅度误差和相位误差；利用发射通道间不一致性误差对发射信号进行幅度补偿和相位补偿，实现发射通道间不一致性校正；步骤2)将补偿后的发射信号经发射机滤波放大后由天线发射出去；然后再由天线和雷达接收机接收其回波；步骤3)对回波数字信号进行频率分离，并利用步骤1)中获得的接收通道间不一致性误差进行幅度补偿和相位补偿，获得雷达回波数据。

A high performance multi frequency detection method for coherent HF radar

The present invention provides a method for detecting a high performance coherent multi frequency HF radar, the method includes: Step 1) observation beam specify the number of frequencies and frequency value of each frequency point to determine, according to the phase increment of each frequency observation beam, thereby transmitting the signal transmitter for each channel design; design of calibration signal first, to obtain emission channels for the reference channel inconsistency error and error consistent receiving channels: the amplitude error and phase error; the emission channel mismatch errors of amplitude compensation and phase compensation of the transmitted signal, transmit channel inconsistency correction; step 2) will launch the signal after compensation the transmitter filter amplifier after radiated from the antenna; then the antenna and the receiver receives the radar echo; step 3) frequency echo signal In order to obtain the radar echo data, the amplitude error compensation and phase compensation between the received channels are obtained by using step 1.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及雷达
，特别涉及一种高性能相干高频雷达多频探测方法。
技术介绍
国际超级双极光雷达网(SuperDARN)是为了研究中高纬度地区电离层异常而形成的由数十部地基相干高频雷达阵组成的雷达网络。地基相干高频雷达阵根据其接收到的电离层回波获取电离层漂移的速度及谱宽，进一步用于建立电离层的对流模型。电离层等离子体对流是太阳风-磁层耦合的一种表现形式，与磁层-电离层系统电动力学过程有密切的联系。行星际磁场(IMF)的方向和大小是影响电离层对流的决定因素，IMF南北分量决定对流的基本结构以及对流的强度和空间尺度，而IMF东西分量主要影响对流的晨昏不对称性。在准静态iMF条件下，人们对电离层对流的统计特征已经有了比较深入的了解和认识。然而，电离层对流对太阳风变化的瞬时响应过程的一些关键问题还有待进一步研究。目前SuperDARN观测电离层对流的时间分辨率是1-2min，如果提高时间分辨率，将有助于我们研究电离层对流对太阳风扰动的更精确的瞬时响应过程，如电离层对流对太阳风动压增强的响应，电离层对行进式对流涡(Traveling convection vortex，TCV)的演化过程。因此，提高雷达的时间分辨率对研究电离层对流模型亦意义重大。为了提高探测时间分辨率，SuperDARN雷达通常采用特殊的扫描方式，实现对某一个波位/方向进行高时间分辨率探测，而其他波位/方向的时间分辨率则会有所降低。利用两个频率同时对不同波位/方向进行观测，在大幅度提高某些重要方位的时间分辨率的同时，不仅不降低其他波位/方向的时间分辨率，还略有提高。若采用多频探测，则可大幅度提高时间分辨率。目前，国际上通常采用增加接收机通道、达到“一发(发射机)双收(接收机)”的效果，由此实现双频探测。这种方法的特点是信号处理上简单直接，但会增加系统复杂度和成本，也因此限制多频探测方法的实现；另外，由于硬件的非理想性，采用“一发双收”的体制会带引入接收通道间的不一致性，降低测量精度。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服已有双频探测方法的低性能、高成本、高复杂度问题。本专利技术采用数字信号处理的手段，结合内定标方法，通过对发射信号、发射机和接收机带宽的合理设计，实现高性能多频探测。较之增加接收机通道的方法，本专利技术避免了增加模拟电路带来的种种非理想性误差，提高系统性能，同时降低系统复杂度和成本；本专利技术还通过内定标实现对发射机、接收机的幅相误差进行校正，减小通道间不一致性的影响，进一步提高系统性能，从而获得更高精度的测量数据，实现高性能多频探测。本专利技术的方法具有高灵活性、高性能、低成本的特点。为了实现上述目的，本专利技术提供了一种高性能高频雷达多频探测方法，包括：步骤1)指定若干个频率的频率值及每个频率的观测波束，根据观测波束指向确定各频率的相移增量，由此设计雷达发射机每个通道的发射信号；设计定标信号，以第一通道为基准获得发射通道间不一致性误差和接收通道间不一致性误差：幅度误差和相位误差；利用发射通道间不一致性误差对发射信号进行幅度补偿和相位补偿，实现发射通道间不一致性校正；步骤2)将补偿后的发射信号经发射机滤波放大后由天线发射出去；然后再由天线和雷达接收机接收其回波；步骤3)对回波数字信号进行频率分离，并利用步骤1)获得的接收通道间不一致性误差对分离后的信号进行幅度补偿和相位补偿，从而实现接收通道间不一致性校正，获得雷达回波数据。上述技术方案中，所述步骤1)之前还包含：设定雷达发射机和雷达接收机的参数；所述雷达发射机和雷达接收机的参数包括：雷达发射机和雷达接收机带宽B、单频探测雷达发射功率和多频探测雷达发射功率。上述技术方案中，所述雷达发射机和雷达接收机带宽B满足：B≥N*Bsub+(N-1)*ΔB其中，探测频率数量为N，相应带宽为Bsub，ΔB为滤波器两个子带的频率间隔。上述技术方案中，所述单频探测雷达发射功率Pt满足： P t > k B T r B · ( 4 π ) 3 R 4 G 2 λ 2 σ F ]]>其中，G为天线增益；λ为雷达工作波长；σ为目标的雷达反射截面；R为目标与雷达的距离；F为传播系数；kB为玻尔兹曼常数；Tr为接收机温度；实现N频探测时，N频探测雷达发射功率Pt(N)为：Pt(N)＝NPt。上述技术方案中，所述步骤1)具体包括：步骤101)指定若干个频率的频率值及每个频率的观测波束，根据观测波束指向确定各频率的相移增量，由此设计雷达发射机每个通道的每个频率的发射信号，将所有不同频率发射信号进行叠加得到每个通道的发射信号；步骤102)设计定标信号，以第一通道为基准，通过与第一通道定标输出作比较，得到其他通道定标输出与第一通道的偏差，从而获得通道间不一致性误差：幅度误差和相位误差；步骤103)利用发射通道间不一致性误差对发射信号进行幅度补偿和相位补偿，实现发射通道间不一致性校正。上述技术方案中，当所述步骤101)中具体包括：步骤101-1)指定N个频率的频率值f1,f2,…fN，及每个频率的观测波束指向：θB,1、θB,2、…、θB,N；步骤101-2)根据观测波束确定各频率的相移增量其中，λi为第i个探测频率fi对应的波长，c为光速；步骤101-3)根据观测频率及相应的相移增量，设计各发射通道的每个频率的发射信号：其中：sk,i(t)为发射通道k发射信号中第i个频率的信号；Ak,i为发射通道k发射信号中第i个频率分量的幅度，k＝1…M，M为通道总数；i＝1…N；且要求|Ak,i|2≤Pt；步骤101-4)发射机通道k的发射信号sk(t)为： s k ( t ) = Σ i = 1 N s k , i ( t ) . ]]>上述技术方案中，所述步骤102)具体包括：步骤102-1)设计定标信号；定标信号scal(t)包含所有频率信号：其中，A为定标信号的幅值，为信号的起始相位；步骤102-2)在工作频率为fi时读取第一个通道的定标数据，获取其幅度A1,i和相位令k＝1；步骤102-3)令k＝k+1，读取工作频率为fi时第k本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高性能相干高频雷达多频探测方法，所述方法包括：步骤1)指定若干个频率的频率值及每个频率的观测波束，根据观测波束指向确定各频率的相移增量，由此设计雷达发射机每个通道的发射信号；设计定标信号，以第一通道为基准获得发射通道间不一致性误差和接收通道间不一致性误差：幅度误差和相位误差；利用发射通道间不一致性误差对发射信号进行幅度补偿和相位补偿，实现发射通道间不一致性校正；步骤2)将补偿后的发射信号经发射机滤波放大后由天线发射出去；然后再由天线和雷达接收机接收其回波；步骤3)对回波数字信号进行频率分离，并利用步骤1)获得的接收通道间不一致性误差对分离后的信号进行幅度补偿和相位补偿，实现接收通道间不一致性校正，获得雷达回波数据。

【技术特征摘要】
1.一种高性能相干高频雷达多频探测方法，所述方法包括：步骤1)指定若干个频率的频率值及每个频率的观测波束，根据观测波束指向确定各频率的相移增量，由此设计雷达发射机每个通道的发射信号；设计定标信号，以第一通道为基准获得发射通道间不一致性误差和接收通道间不一致性误差：幅度误差和相位误差；利用发射通道间不一致性误差对发射信号进行幅度补偿和相位补偿，实现发射通道间不一致性校正；步骤2)将补偿后的发射信号经发射机滤波放大后由天线发射出去；然后再由天线和雷达接收机接收其回波；步骤3)对回波数字信号进行频率分离，并利用步骤1)获得的接收通道间不一致性误差对分离后的信号进行幅度补偿和相位补偿，实现接收通道间不一致性校正，获得雷达回波数据。2.根据权利要求1所述的高性能相干高频雷达多频探测方法，其特征在于，所述步骤1)之前还包含：设定雷达发射机和雷达接收机的参数；所述雷达发射机和雷达接收机的参数包括：雷达发射机和雷达接收机带宽B、单频探测雷达发射功率和多频探测雷达发射功率。3.根据权利要求2所述的高性能相干高频雷达多频探测方法，其特征在于，所述雷达发射机和雷达接收机带宽B满足：B≥N*Bsub+(N-1)*ΔB其中，探测频率数量为N，相应带宽为Bsub，ΔB为滤波器两个子带的频率间隔。4.根据权利要求3所述的高性能相干高频雷达多频探测方法，其特征在于，所述单频探测雷达发射功率Pt满足： P t > k B T r B · ( 4 π ) 3 R 4 G 2 λ 2 σ F ]]>其中，G为天线增益；λ为雷达工作波长；σ为目标的雷达反射截面；R为目标与雷达的距离；F为传播系数；kB为玻尔兹曼常数；Tr为接收机温度；实现N频探测时，N频探测雷达发射功率Pt(N)为：Pt(N)＝NPt。5.根据权利要求4所述的高性能相干高频雷达多频探测方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：步骤101)指定若干个频率的频率值及每个频率的观测波束，根据观测波束指向确定各频率的相移增量，由此设计雷达发射机每个通道的每个频率的发射信号，将所有不同频率发射信号进行叠加得到每个通道的发射信号；步骤102)设计定标信号，以第一通道为基准，通过与第一通道定标输出作比较，得到其他通道定标输出与第一通道的偏差，从而获得通道间不一致性误差：幅度误差和相位误差；步骤103)利用发射通道间不一致性误差对发射信号进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：蓝爱兰，阎敬业，蒋松，李广明，王赤，吴季，
申请(专利权)人：中国科学院国家空间科学中心，
类型：发明
国别省市：北京;11